Безжичен мониторинг на техническото състоянието на оборудването

Механичните повреди на двигатели, задвижвания и други важни електромеханични елементи са сред най-честите причини за спиране на производството.

 Благодарение на последните постижения във вибрационния мониторинг и анализа на данни, от няколко години на пазара се предлагат системи за мониторинг на състоянието, с които може точно да се открие проблемът, преди оборудването да се повреди и по този начин да се избегнат скъпоструващи принудителни престои на критични за производството машини.

Системите обединяват комплексни измервателни техники и хардуер за обработка на данните, интерфейс и разнообразни опции за индивидуални настройки. Те предоставят на потребителите актуална и точна информация за механичното състояние на оборудването в реално време и подробни изходни данни за анализ и разработване на дългосрочни стратегии за техническа поддръжка.

Системите се инсталират на следеното оборудване и обикновено са свързани в мрежа до централен компютър за обработка на данните и алармена сигнализация. Тъй като машините могат да бъдат инсталирани в опасни, отдалечени или труднодостъпни места, където няма мрежова инфраструктура или на подвижни платформи, при които кабелното свързване не е практично, като алтернатива се използват технологии за безжичен мониторинг на техническото състояние на оборудването.

Те предлагат икономия на разходите за монтаж, по-бързо внедряване и дори в определени ситуации подобряват надеждността на връзката между отделните компоненти в системите за мониторинг.

Използвани безжични индустриални технологии
Повечето безжични мрежи с това приложение използват широкочестотен спектър за предаване на информацията от сензорите за състоянието на оборудването. При широка честотна лента предаваният сигнал е по-ефективен, по-силен и по-лесен за улавяне от приемника.

Това позволява относително високи комуникационни скорости и дава възможност за работа в шумна среда с множество налични радиочестотни системи. Технологията на широкия спектър има две разновидности: честотно прескачане (Frequency-Hopping Spread Spectrum - FHSS) и непрекъсната последователност (Direct-Sequence Spread Spectrum - DSSS). И двата метода имат предимства и недостатъци за промишлените безжични комуникации.

При Frequency Hopping има непрекъсната смяна на носещата честота, при което полезният сигнал се излъчва на различни носещи честоти. При подходяща синхронизация се осъществява поддръжка на постоянен логически канал между приемника и предавателя. Останалите приемници възприемат този сигнал като краткотраен импулсен шум.

При Direct Sequence или спектрално разгърнатата технология с непрекъсната последователност за всеки бит, който трябва да се предаде, се генерира битова последователност с излишък, наречена чипов код. По-дългият код увеличава вероятността да бъдат възстановени оригиналните данни.

В случай на грешка в един или няколко бита по време на предаването вградените средства в приемника могат да възстановят информацията без да се налага да се препредава отново. Останалите приемници възприемат този сигнал като слаб широкочестотен шум, който се пренебрегва от повечето тясночестотни приемници.

 Методът Direct Sequence се използва от всички популярни отворени Wi-Fi стандарти, включително IEEE 802.11b, 802.11g (излъчващи на 2.4 GHz) и 802.11a (5,8 GHz). Широкоспектърната модулация предлага висока скорост, но тя също така прави RF системата по-податлива на проблеми с шума, при наличие на няколко системи, които работят в непосредствена близост.

 Например, IEEE 802.11b има тринайсет възможни канала (или само единадесет в някои страни), но само три от тях не се припокриват. Припокриващите се канали и популярността на Wi-Fi системите в предприятията, както и пренасищането на радиочестотния спектър, може да доведе до влошено взаимодействие на компонентите в безжичните мрежи.

 Поради тази причина Frequency Hopping е много популярна техника за индустриалните системи. За разлика от Direct Sequence тя има изключителна устойчивост на шумово замърсяване, благодарение на бързата смяна на множество по-малки канали в спектъра. Чрез внедряването на техники за коригиране на грешки Frequency Hopping предлага най-добрия шанс за успешно предаване на данните, тъй като предавателят изпраща пакета отново и отново, използвайки различни канали, докато не се получи потвърждение за приемането му.

Като недостатък на този метод обикновено се посочва по-бавната му скорост в сравнение с Direct Sequence и по-дългото време на изчакване на данните. Освен това, повечето Frequency Hopping системи са ограничени до 1 Mbps или по-малка скорост на предаване на данните.

 Но ако тази скорост е достатъчна за съответното приложение и в бъдеще се предвижда добавянето на още RF системи, то Frequency Hopping остава по-надеждният метод за комуникация в случая.

Frequency hopping модемите са патентовани, което означава, че всеки производител използва своя собствена техника и доставчикът X обикновено не комуникира с доставчика Y. Въпреки че това е потенциален недостатък за търговските системи, може да се окаже добър вариант за промишлените системи по две причини: сигурност и изолиране от безжичната IT система.

Тъй като технологията не се базира на отворен стандарт, производителят може да използва уникални процеси за автентификация и усъвършенствани техники за криптиране. Въпреки че сигурността на Wi-Fi системите се подобри значително с WPA и WPA2 стандартите, хакерите продължават да търсят слаби места в мрежата. Много промишлени Wi-Fi производители вече включват опция за скриване на точката за достъп, като не излъчват нейния SSID геодезичен сигнал, което е ефективна техника срещу потенциални хакери.

Frequency hopping също така позволява на мениджърите на предприятието да експлоатират своя собствена безжична мрежа, отделно от IT инфраструктурата на предприятието. Поради популярността на 802,11 технологиите, с тях често се изграждат безжичните мрежи за достъп, складовите системи и видеонаблюдението, затова в този случай патентованата Frequency hopping може да бъде най-добрият избор за безжично предаване на данните от оборудването и за запазване на автономността на отделните звена в предприятието.

Интеграция на системите за мониторинг в мрежата
Повечето системи за мониторинг на състоянието имат опция за Ethernet комуникация за връзка с мрежата. Ethernet е най-лесно адаптивният интерфейс за безжични устройства при положение, че се вземат предвид два фактора: скорост на предаване на данните и време на изчакване.

Тяхната значимост става особено отчетлива в системи, в които се наблюдава състоянието на множество машини. Поради тази причина е важно да се проектира RF мрежа, която ефективно да достига до всички отдалечени места и да поддържа подходящи скорости на предаване на данните.

При много голям брой наблюдавани машини е целесъобразно да се изградят няколко отделни RF мрежи, което ще увеличи ефективността на всяка система. От съществено значение е безжичните устройства да бъдат проектирани специално за промишлени инсталации.

Някои от най-важните им параметри, които трябва да се вземат предвид при избора, са RF изходна мощност (по-висока обикновено е по-добре), работна температура, вградена диагностика, сертификати за опасни среди (ако е необходимо).

Приложение на технологиите за безжичен мониторинг
Дистанционното наблюдение на състоянието на оборудването може да се използва почти във всяка индустрия, в която електромеханичните компоненти са от критично значение за производството.

Сред приложенията, в които безжичният мониторинг е особено ефективен, са мониторинг на помпи, задвижвания в петролни/газови сондажни машини, задвижвания на поточни линии, мостови кранове в металолеярни и др.

Особено интересно приложение е следенето на състоянието на охлаждащите вентилатори в електроцентралите. Те са разположени в основата на охладителните кули и са подложени на постоянното въздействие на гореща пара.

Когато един такъв вентилатор се повреди, кулата трябва да се изключи, за да се даде възможност на техниците да ремонтират вентилатора, като по този начин се намалява изходната мощност на централата, понякога по време на пикови периоди на потребление на електричество.

Чрез инсталиране на система за мониторинг на състоянието на вентилаторите централата ще бъде в състояние да планира ремонта им по време на не-пикови спирания. Друго приложение системите за безжичен мониторинг намират при контейнерните кранове.

По принцип следенето на състоянието им е сложна задача. Измерванията трябва да се извършват в точно определени моменти, когато са изпълнени определени условия за натоварването, скоростта, посоката на въртене и посоката на движение на крана. За измерване състоянието и анализ на лагерите на редуктора и ел. двигателя на крана се използват различни методи, като обикновено те се комбинират с вибрационни измервания.

Някои от методите се базират на изследване на механичното състояние и смазването на търкалящите лагери, чрез което се откриват инсталационни повреди и влошено смазване. Други анализатори използват форма на трансформация на Фурие (FFT) за точно установяване източника на високи стойности на ударни импулси като лагери, повредени зъбни колела или смущения, причинени от тракане или стържене на метални части.

При машини с плъзгащи лагери могат да се използват вибрационни преобразуватели за откриване на проблеми като триене, дебаланс, несъосност или разбиване на масления филм. Съществуват и методи за диагностициране, които записват промените във вибрациите на машината при пускане до достигане на работна скорост или след изключване до пълното й спиране.

С тази анализираща функция се разкриват вибрационните характеристики на машинния фундамент, резонансните честоти и реакцията при критични скорости.

Често срещано приложение на системите за безжичен мониторинг са вятърните генератори. Те са подложени на силното влияние на вибрации и смущения по време на работа. Променливите работни условия като сила на вятъра, електропроизводство, скорост, температура и др. влияят върху измервателните резултати и оценката на състоянието. Това изисква възможността алармените нива да се настройват към конкретната ситуация.

Една типична настройка за вятърен генератор е измерване на ударните импулси на лагерите на редуктора, генератора и главния вал. За установяване на несъосност, дебаланс, разхлабвания и други често срещани вибрационни симптоми се извършват и допълнителни измервания за анализ и установяване произхода на вибрационните проблеми.